지진 발생 시 반도체 팹의 안전을 확보하는 마이크로 진동 측정 시스템

반도체 제조 공정은 극도로 정밀한 작업이 요구되기 때문에, 진동에 매우 민감합니다. 이러한 진동은 사내의 인적 이동, 팬, 펌프 등 내부 요인뿐만 아니라, 인근 도로의 교통, 공사 활동, 지진과 같은 외부 요인에서도 발생할 수 있습니다. 비록 미세한 진동이라도 생산 수율에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에, 정밀 제조 환경에서는 진동 관리가 필수입니다.

특히 지진 발생 빈도가 높은 대만의 경우, 마이크로 진동 측정 시스템은 반도체 제조업체에게 필수적인 설비입니다. 이 시스템은 설비 보호, 운영 리스크 감소, 작업자 안전 확보를 위한 핵심 도구로 작용합니다. 지진은 일반적으로 빠른 P파(Primary wave)와 느린 S파(Secondary wave)로 나뉘는데, 이 시스템은 P파를 감지함으로써 S파의 도달 전 지진의 세기를 예측할 수 있습니다. P파를 감지한 후, 보다 파괴력이 강한 S파가 도달하기 전인 약 5~30초 사이의 시간적 여유를 활용해, 주요 장비가 자동으로 보호 조치를 취할 수 있도록 설계되어 있습니다. 이러한 선제적 대응은 지진으로 인한 설비 손상 및 인명 피해를 최소화하는 데 큰 도움이 됩니다.

대만의 유명한 반도체 기업은 새로운 반도체 생산 공장을 건설 중이며, 마이크로 진동 측정 시스템을 찾고 있었습니다. 그 목적은 수율 저하를 유발할 수 있는 환경적 미세 진동으로부터 기존 웨이퍼 팹을 보호하고, 향후 구조적 보강에 도움을 주며, 장비를 보호하고, 지진 조기 경보를 제공하는 데 있습니다. 이 시스템은 지진 발생 시 주요 장비를 빠르게 셧다운할 수 있는 판단을 가능하게 하여, 재난 이후 빠른 생산 재개를 보장하고, 인명, 생산 라인, 제품 품질을 보호하는 데 도움을 줍니다.

또한, 이 제조사는 기존 시스템에서의 납기 지연, 품질 문제, 불만족스러운 사후 지원 등의 문제를 해결하고자, 새로운 공장에 어드밴텍의 더 효율적이고 신뢰성 높은 진동 감지 제품으로 전환하고 있습니다. 이러한 전략적 변화는 공장의 운영 효율성과 신뢰성을 강화할 것으로 기대됩니다.

이번 프로젝트를 위해 어드밴텍은 반도체 산업에서의 진동 관련 과제를 다룬 풍부한 경험을 보유한 진동 측정 및 테스트 시스템 전문 통합업체인 Prowave와 협력하고 있습니다.

마이크로 진동은 2~100Hz의 주파수 범위와 50μm/s 이하의 진폭을 가지는 진동으로 정의되며, 이는 일반적인 진동 측정 장비로는 감지하기 어려운 수준입니다. 따라서 고객사는 이러한 미세 진동을 정확히 식별할 수 있는 고성능 마이크로 진동 측정 시스템을 필요로 하고 있으며, 이는 정확한 판단과 대응을 위한 핵심 데이터로 활용됩니다.

IEPE(Integrated Electronics Piezo-Electric) 센서는 건물 층 사이에 설치되어 바닥 및 주변 환경의 진동을 감지하게 됩니다. 이와 함께, 다양한 진동 변화를 정확히 측정하기 위해서는 데이터 수집(DAQ) 카드가 넓은 동적 신호 측정 범위를 가져야 하며, 이를 통해 정확한 데이터 판독과 오경보 방지가 가능합니다. 또한, 건물 전체에 걸친 광범위한 시스템 배치를 고려할 때, 여러 DAQ 카드 간의 동기화는 필수적이며, 이를 통해 다수의 현장 센서로부터 동시에 데이터를 수집할 수 있는 기반이 마련됩니다.

• PCIE-1803: 8채널, 24비트, 128kS/s 동적 신호 수집용 PCI Express 카드
• ACP-4000: 시각 및 청각 알람 기능이 탑재된 저소음 4U 랙마운트 섀시
• AIMB-788: Intel® Core™ 프로세서(14세대/13세대/12세대)를 지원하는 산업용 ATX 마더보드
• DAQNavi: 데이터 수집(DAQ) 소프트웨어 개발 키트

이 시스템은 24시간 상시 운영되며, 각 층의 마이크로 진동 수준을 지속적으로 모니터링하여, 배경 진동 및 설비 작동 시 발생하는 진동의 패턴과 장기적인 변화 추이를 분석합니다. 진동이 VC(Vibration Criterion) 곡선 수준 또는 설정된 Gal 수치를 초과할 경우, 즉시 알람을 발생시키며, 5분 이내에 상세한 리포트를 자동으로 생성합니다.

이 시스템은 PCB IEPE 센서를 사용하여 미세 진동 신호를 측정합니다. 높은 샘플링 속도에서도 잡음 비율은 단 50 μVrms 수준으로 매우 낮으며, VC-Curve 리포트를 자동 생성하여 현장에서 특정 지점의 진동 상태를 즉시 파악할 수 있는 통찰력을 제공합니다.

이번 프로젝트에 적용된 PCIE-1803 DAQ 카드는 8채널, 24비트, 128kS/s를 지원하는 동적 신호 수집용 PCI Express 카드로, 시스템 성능에 핵심이 되는 다음과 같은 세 가지 주요 기능을 갖추고 있습니다:

1. IEPE 센서 지원: PCIE-1803은 최대 102dB의 넓은 동적 측정 범위를 제공하여, 미세한 진동부터 비교적 큰 진동까지 모두 감지 가능합니다.
2. 동시 샘플링 및 다카드 동기화 기능: 모든 채널을 동시에 샘플링할 수 있으며, 최대 64개의 센서 노드에 대해 동기화된 데이터 수집이 가능합니다. 이는 넓은 면적을 정밀하게 모니터링하는 데 필수적입니다.
3. 저전력 설계: 풀 로딩 시 소비 전력은 4.8W에 불과하여, 과열 위험을 줄이고 시스템의 안정성과 수명을 향상시킵니다.

어드밴텍은 다양한 플랫폼 옵션을 통해 고객 맞춤형 구성을 지원하고 있으며, 이번 프로젝트에서는 ACP-4000 랙마운트 섀시와 Intel® Core™ 기반 AIMB-788 메인보드가 채택되었습니다. ACP-4000은 LED 인디케이터 및 알람 알림 기능을 탑재해 장애 발생 시 신속한 감지 및 대응이 가능하며, 저소음 PWM 제어 팬으로 자체 진동을 줄여 데이터 정확성 유지에 기여합니다. AIMB-788은 12세대 Intel® Core™ i5-12500 프로세서를 탑재하여 고성능 멀티태스킹 및 유연한 확장성(PCIe 슬롯 5개 지원)을 제공하며, Windows 10 기반의 안정적 시스템 관리도 지원합니다.

소프트웨어 측면에서는 고객이 LabVIEW 개발 환경을 활용하고 있으며, 어드밴텍의 DAQNavi SDK를 PCIE-1803과 통합하여 사용 중입니다. DAQNavi SDK는 설정과 시연을 간소화하고, 초기 개발 및 검증 속도를 대폭 향상시켜 줍니다.

어드밴텍의 PCIE-1803 DAQ 카드는 고성능 동적 신호 수집 기능과 다카드 동기화 기능을 갖추고 있어, 마이크로 진동 데이터를 효과적으로 포착하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 또한, DAQNavi 소프트웨어의 적용을 통해 개발 시간이 크게 단축되어 프로젝트 진행 속도가 한층 빨라졌습니다.

PCIE-1803은 반도체 산업을 넘어 다양한 산업군에 적용 가능한 다용도 제품으로, 석유화학, 제철 등 중공업 분야의 정밀 계측 요구에도 부합합니다. 특히, 파이프라인, 대형 주조 설비 등 대형 장비의 건전성 모니터링에 최적화된 솔루션으로 활용될 수 있습니다.